JP5917708B2 - 無線装置及びこれを作動させる方法 - Google Patents

Description

本明細書で説明される実施形態はコグニティブ無線の分野に属する。

いくつかのコグニティブ無線システムにおいて、セカンダリー・ユーザは、スペクトルにアクセスする前に、そのスペクトルのアベイラビリティーをセンスする必要がある。そのような場合に、スペクトル・センシングの結果の正確さは、プライマリー・システムとセカンダリー・システムの両方にとって重大（critical）である。スペクトル・センシングのパフォーマンス（正確さ）を向上させるためにマルチアンテナ技術が文献で論じられた。しかしながら、上記分野で既に発表されている多くのアレンジメントでは、スペクトル・センシングのためにセカンダリー受信機の全てのアンテナが使用される。これは、セカンダリー受信機の全てのＲＦチェーンを使用せざるを得ないことを意味している。

図１は、説明される実施形態に従った通信デバイスの一般的なシステム図である。 図２は、図１のデバイスのコントローラを具体化する、典型的なコンピュータ化されたコントローラの概略図である。 図３は、様々なアンテナ構成（antenna configurations）に対する、実施形態に従ったセンシングに関するタイミングチャートである。 図４は、説明される実施形態の各例に対する実験結果を示すグラフである。 図５は、説明される実施形態の各例に対する実験結果を示すグラフである。 図６は、説明される実施形態の各例に対する実験結果を示すグラフである。 図７は、説明される実施形態の各例に対する実験結果を示すグラフである。 図８は、説明される実施形態の各例に対する実験結果を示すグラフである。 図９は、説明される実施形態に従ったコントローラの動作を示すフローチャートである。

一つの実施形態によれば、その低い実装複雑性（implementation complexity）により、アンテナ選択が利用される。特定の例において、タイムピリオドの間、スペクトルをセンスするために複数のアンテナのうちの一つ又はサブセットが使用され、続いて、後続のタイムピリオドの間、複数のアンテナのうちの他の一つ又はサブセットによって他のスペクトル・センシングが行われるという、スペクトル・センシング・スキームが使用される。

一つの実施形態に従って、タイムピリオドの間、センシングが実行される方法が提供され、ここで、このタイムピリオドは、より小さいピリオドに分割される。そして、該より小さいタイムピリオドそれぞれの期間に、複数のアンテナのうちの１つ又はサブセットを使用してセンシングが実行される。該複数のアンテナのうちの１つ又はサブセットは、センシング・ピリオド全体にわたって変化しても良い。

上記の複数のアンテナのうちの１つ又はサブセットは、異なるタイムスロットにおいて異なっても良い。

異なるアンテナから受信された複数のサンプルをポストプロセス（post process）するために、重み係数が使用されても良い。

アンテナ選択アルゴリズムによって上記の複数のアンテナのうちの１つ又はサブセットを選択することができる。

それぞれのサブスロットについて可変の重み係数（Variable weighting factors）が使用されても良い。

複数のセンシング・サブスロットは、異なる長さであっても良い。

コグニティブ無線（ＣＲ）は、無線スペクトルの効率的な使用を促進する。コグニティブ無線システムでは、ライセンスを受けてないユーザ（unlicensed users）（セカンダリー・ユーザ）は、ライセンスを受けたユーザ（licensed user）（プライマリー・ユーザ）に対して事前に割り当てられたスペクトルを、そのようなスペクトルがプライマリー・ユーザによって使用されていないときに、使用することができる。使用可能な無線スペクトルの異なる部分に対して、それぞれ、２以上のユーザがライセンスを受けることができることを読者は認識するであろう。

いくつかのコグニティブ無線システムにおいて、セカンダリー・ユーザが、プライマリー・ユーザに対して事前に割り当てられたスペクトル・リソースへのアクセスを試みる場合、セカンダリー・ユーザは、最初に、そのスペクトルをセンスし、次に、センシング結果に従ってそのスペクトルにアクセスする必要がある。理想的には、プライマリー・ユーザによる伝送の優先を保証するために、そしてまた、セカンダリー・リンクの伝送を維持するために、セカンダリー・ユーザは、安全で効率的なオペレーションを確実にするために、制限のあるセンシング・ピリオドの中での正確で信頼性のあるセンシング機能をもつ必要がある。プライマリー・システムに対するより高いプロテクション・レベルのために、より高い検出確率（detection probability）が望まれ、一方、より低いフォールスアラーム確率（false alarm probability）が、より良いオポチューニスティックなアクセス（opportunistic access）を、セカンダリー・ユーザに提供する。

マルチアンテナ・スペクトル・センシングへの大部分のアプローチは、複数のＲＦチェーンの同時の使用を必要とするパラレル・センシングにフォーカスされた。これは高い複雑性及びエネルギー消費を要求する。

本明細書で説明される実施形態は、スペクトル・センシングのパフォーマンスを改善するために、アンテナ選択を使用する。とりわけ、センシング・ピリオド全体をいくつかのサブスロットに分割することによって、および、それぞれのスロット内のスペクトル・センシングを連続して実行するために、複数のアンテナのうちのサブセット（１又は複数のアンテナを含むサブセット）を使用することによって、センシング・ピリオドの全体にわたってスペクトル・センシングのために単一のアンテナを使用することと比較して、相当なセンシング・ゲインを得ることができる。一方、複数のＲＦチェーンを同時に利用するパラレル・マルチアンテナ・センシングと比較して、ハードウェアの複雑性／コスト及び対応するエネルギー消費が低減される。

このスキームのいくつかのインプリメンテーションは、増強された（enhanced）センシング精度を提供する。一方でそれと同時に、複数のＲＦチェーンのうちの１つ又はサブセットだけが、ある一つのタイムピリオドにおいて使用されるので、低い実装複雑性を維持する。

図１に、適切な通信デバイス１０が例示される。通信デバイス１０は、複数のアンテナ３０に接続されたＲＦチェーン２０を含む。ＲＦチェーン２０は、マルチプレクサ／デマルチプレクサ４０に接続される。マルチプレクサ／デマルチプレクサ４０は、データシンク５０とデータソース６０との間に介在する。コントローラ７０は、ＲＦチェーン２０及びマルチプレクサ／デマルチプレクサ４０のオペレーションをコントロールする。

図２において、コントローラ７０がさらに詳細に例示される。一般論として、コントローラ７０は、汎用コンピュータを含む。これに従って、コントローラ７０は、コンピュータ実行可能なインストラクションを実行するように動作可能なプロセッサ１２０を含む。それらインストラクションは、関連するデータとともに、マスストレージデバイス１２２に記憶されても良い。便宜上、インストラクション及びデータに対するより迅速な（rapid）アクセスのために、ワーキングメモリ１２４が提供される。これに従って、ユーザ・アプリケーション１２６及び通信コントローラ１２８は、ワーキングメモリ１２４に記憶されることとして例示される。汎用バス１３０は、要求に応じて他の装置に対する接続性を提供する通信ユニット１３２、ユーザ入力ユニット１３６及びユーザ出力ユニット１３８との通信のために提供される。ユーザ出力ユニット１３８は、特定の例において、ビデオ出力手段及び又は音声出力手段を含んでも良く、一方、ユーザ入力ユニット１３６は、キーパッド、キーボード、タッチスクリーン手段、音声入力手段又は他の適切なユーザ入力装置を含んでも良い。

以下、通信コントローラ１２８アプリケーションのインストラクションの下でのコントローラ７０のパフォーマンスについて説明する。

このアプローチに従って、図３に示されるように、Ｍ個のアンテナの場合に、一つのセンシング・スロットτがＭ個のサブスロットτ_iに分割される。すなわち、次のようである。

一つのＲＦチェーンのアベイラビリティーを考えると、それぞれのサブスロットにおいて、一つのアンテナがアクティブになってスペクトル・センシングを実行することだけが可能である。しかしながら、異なるチャネル・ゲインをもつこれらの複数のアンテナの空間ダイバーシティーの活用によって、センシング・パフォーマンス・ゲインがなおも期待される。

セカンダリー・ユーザによって、それぞれのセンシング・サブスロットにおいて、エネルギー検出（energy detection）が使用される。ｉ番目のサブスロットでのエネルギー検出に関する検定統計量（test statistic）は、次のように与えられる。

ここで、それぞれのサブスロットにおけるサンプリング数は、Ｎ_i＝τ_iｆ_sであり、ｆ_sはサンプリング周波数である。

ｉ番目のサブスロットについて、セカンダリー・ユーザによりセンスされた観測結果は、二つハイポセシス（hypotheses）のうちの一つに関連付けることができる。ハイポセシスＨ₁は、プライマリー・ユーザがアクティブであるというハイポセシスである。また、ハイポセシスＨ₀は、プライマリー・ユーザが非アクティブであるというハイポセシスである。
したがって、次のようになる。

ここで、ｓ_i(n)は、プライマリー・ユーザの信号であり、その電力レベルσ_s ²は、次のようである。

また、ｈ_iは、ｉ番目のサブスロットのチャネル・ゲインである。

ｈ_iは、ｉ番目のセンシング・サブスロットの間、一定であると仮定される。しかしながら、異なるアンテナが適用され得ることを考えると、それがサブスロットごとに異なることも有り得る。ノイズｕ_i(n)は、０平均と分散σ_u ²をもつ、独立同一な複素ガウス分布に従う（complex Gaussian Independent and Identically Distributed）（ＩＩＤ）ランダム信号であると仮定される。

ｓ_i(n)とｕ_i(n)は、独立していると仮定される。また、場合によっては、σ_s ²とσ_u ²の両方を先験的な情報（priori information）であると仮定することができる。

ｉ番目のサブスロットの間にＳＵで測定されたＰＵの受信信号対雑音比（ＳＮＲ）は、次のように示される。

対応する検出確率及びフォールスアラーム確率Ｐ_d ⁽ⁱ⁾及びＰ_fa ⁽ⁱ⁾は、それぞれ、次により与えられる。

ここで、ε_iは、ｉ番目のサブスロットに対する検出閾値である。Ｑ(x)は、ガウス・テイル確率（Gaussian tail probability）である。Ｑ(x)は、次のようである。

すべてのサブスロットからの複数の観測結果が一緒に処理されるデータ融合（data fusion）の方法によって、センシング決定がなされる。検定統計量は次のように与えられる。

ここで、ｇ_iは、ｉ番目のサブスロットの重み係数である。例えば、チャネル・ゲインｈ_iが未知である場合には、平衡／同一重み（balanced/same weighting）のために次のようなｇ_iが選択される。

センシング・スロットが均一に分割される場合（つまり、τが次式のように示されるような場合）には、センシング・パフォーマンスは次の式（７），（８）のように示される。

ここで、式（７），（８）において、βとＮ_ｉはそれぞれ次のようである。

目標検出確率Ｐ_{d t}及び目標フォールスアラーム確率Ｐ_{fa t}の検出閾値εは、それぞれ、式（４）及び（５）から、以下のように導出することができる（サンプリング数Ｎ＝Ｎ_iＭとして）。

プライマリー・システムは、Ｈ₁のケースにおいて、Ｔ（ｙ）＞εのときに検出されるように要求される。しかしながら、Ｈ₀のケースにおいて、Ｔ（ｙ）＞εならば、それはフォールスアラームになり得る。

チャネル・ゲインｈ_iが既知である場合には、重み係数ｇ_iは、以下のように、低ＳＮＲレジームにおいて最適化することができる。

したがって、この場合、対応するセンシング・パフォーマンスは、次のように与えられる。

それぞれのセンシング・スロットにおけるアンテナ選択のアプリケーションを考えると、それぞれのサブスロットτ_iは、異なるチャネル・ゲイン（すなわち、異なるγ_i）を経験し得る。したがって、異なるセンシング・スロットτにおいて異なる平均チャネル・ゲインが生じる。これは、目標センシング・パフォーマンスのために、センシング・スロットごとに検出閾値を変更することをもたらす可能性がある。

検定統計量Ｔ(y)において異なる重み係数が適用される場合には、これらの閾値は、中心極限定理及び逆累積分布関数（inverse cumulative distribution function）を使用して、Ｔ(y)の統計量分布（statistic distribution）から計算することができる。

図４及び図５に示されるように、それぞれ、目標検出確率（０．９）及び目標フォールスアラーム確率（０．１）の下で、単一アンテナと各アンテナ選択の実行との間の解析的結果及びシミュレーション結果の両方が与えられる。チャンネル・ゲインｈ_iは、０平均及びユニティーバリアンスな複素ガウス確率変数（unity variance complex Gaussian random variables）である。シミュレートされたセンシング・スロットの数は、平均的な受信プライマリー・ユーザのＳＮＲを−１０ｄＢとして、１０^４である。単一アンテナによるスペクトル・センシングと比較して、同じ長さのセンシング・スロットτが適用される場合に、説明されるアンテナ選択方法を利用することによる実質的なパフォーマンスの改善が提示される。加えて、アンテナの数を増加させることは、センシング・パフォーマンスを更に改善する。図６に、ダイバーシティー・オーダーが示される。ここで、一つのＲＦチェーンの下でのマルチアンテナの使用による、センシング・パフォーマンスの改善が確認される。それら結果は、さらに、４つのアンテナによる１つのＲＦチェーンを使用するシリアル・センシングが、実際的な必要条件（例えば、Ｐ_d＞０．９）の下で、２つのアンテナによる２つのＲＦチェーンより、さらに良いセンシング・パフォーマンスを与えることを示す。これは、ＲＦチェーンの高価性及びエネルギー消費並びに比較的安価なアンテナを考えると、より少ないハードウェアコスト及びエネルギー消費によるより良いセンシング・パフォーマンスを得ることが可能であることを示す。比較のために“Sensing performance of energy detector with correlated multiple antennas” (S. Kim, J. Lee, H. Wang, D. Hong, IEEE Signal Processing Letters, Vol. 16, No. 8, pp. 671-674, August 2009)から結果を複製すると、そこでは、より良いセンシング・パフォーマンスが提示されるとされるが、シリアルなアンテナ選択センシング・アルゴリズムの使用によってセンシングのゲインが得られない。また一方、Ｋｉｍらの結果は、チャネル・ゲインがそれぞれのセンシング・サンプルにおいて独立しているという仮定（つまり、Ｈ₁：ｙ_i(n) ＝ ｈ_i(n)ｓ_i(n)＋ｕ_i(n)）に基づいている。これは、６ＭＨｚのサンプル周波数によるマイクロ秒−ミリ秒のオーダーのセンシング・サブスロットの期間の下での、より実際的でない強い仮定である。実際的な仮定は、通常、ｉ番目のサブスロットのチャネル・ゲインｈ_iが、任意の特定のセンシング・サブスロットの間、一定であると仮定されることを要求する。

さらに、あるアンテナ数に達した場合に、パフォーマンスのゲインは飽和するであろう。予想通りに、関連するアンテナが導入される場合、図７に示されるように、パフォーマンスが下がる。シミュレーションにおけるＳＮＲ値は、図６を除いて、すべて−１０ｄＢのセットであると読者は気付くであろう。異なるアンテナが異なるＳＮＲ受信を有する場合には、アンテナ選択を使用するという利点をさらに示すことができる（例えば、ＳＮＲ重み付けされた選択基準（SNR-weighted selection criterion）を使用して）。更に、それぞれのアンテナ／サブスロットのチャネル・ゲインが既知であり、それに従って、異なる重み係数を使用する場合には、更なるパフォーマンスのゲインを達成することができる。

図８は、二つの異なるアルゴリズムからの検定統計量のヒストグラム／分布を示す。上側の図は、上で説明されたセンシング・アルゴリズムに基づくアンテナ選択を示す。下側の図は、通常のセンシング・アルゴリズムからの検定統計量の分布を示す。図８に示されるように、説明されるアルゴリズムを使用して、目標フォールスアラーム確率の下でより良い検出確率が達成されると期待される。

図９は、この実施形態に従ったコントローラにより実行されるプロセスを要約する。ステップＳ１−２において、コントローラは、それが幾つのアンテナをコントロールしているかを、したがって、それが、時間内に、センシング・ピリオドを幾つのセンシング・スロットに分割しなければならないかを判定する。それは、この分割を実行する。

センシング・スロットの数により定義されるＦｏｒループにおいて、それぞれのセンシング・スロットについて、ステップ群が実行される。ステップＳ１−４において、センシング・オペレーションが実行される。そして、ステップＳ１−６及びステップＳ１−８において、それぞれ、プライマリー・ユーザがアクティブである確率が判定され、及び、該最初の確率判定の不確実性（すなわち、該最初の確率により表されるアクティビティー・レポートが誤っているかどうか）が判定される。

そして、それぞれのセンシング・スロットについて、これらのメジャーが、合成フェイズに送られ、その最初のステップであるステップＳ１−１０において、コントローラは、センシング・メジャーメントのそれぞれに適用する重みを判定する。そして、それらセンシング・メジャーメントは、データ融合の原理に従って、ステップＳ１−１２において、それら重みに従って融合される。そして、融合されたデータに基づいて、データ検出のためにアンテナ選択を実行することができる。

特定の実施形態が説明されたが、これらの実施形態はただ例として提示されたものであり、本発明の範囲を制限することが意図されるものではない。実際に、本明細書で説明された新しい方法及びシステムは、種々の他のフォームで具体化されても良い;さらに、本明細書で説明された方法及びシステムのフォームにおいて様々な省略、置き換え及び変形が本発明の精神を逸脱しない範囲でなされても良い。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本発明の範囲及び精神に含まれるであろうそのようなフォーム又は変形をカバーすることが意図される。

Claims (15)

1. 複数のアンテナを含む通信装置で使用するための方法であって、
   複数の連続するセンシング・スロットに、一つのセンシング・ピリオドを割り当てることと、ここで、センシング・スロットの数はアンテナの数に依存する、
   第１のセンシング・スロットの間、前記第１のセンシング・スロットに関するチャネル・アクティビティ情報を生成するために、第１のアンテナ・セットで、対象となる通信チャネルをセンシングすることと、ここで、前記第１のアンテナ・セットは、前記複数のアンテナのうちの１つ又は複数のアンテナである、
   第２のセンシング・スロットの間、前記第２のセンシング・スロットに関するチャネル・アクティビティ情報を生成するために、第２のアンテナ・セットで、対象となる前記通信チャネルをセンシングすることと、ここで、前記第２のアンテナ・セットは、前記複数のアンテナのうちの１つ又は複数のアンテナであり、前記第２のアンテナ・セットは、前記第１のアンテナ・セットとは異なる、
   チャネル・アクティビティー・レポートを形成するために、複数の前記センシング・スロットに関して得られた複数の前記チャネル・アクティビティ情報を合成することを含む方法。
2. 前記合成することは、複数の前記センシング・スロットに関する複数の前記チャネル・アクティビティ情報に対して加重和を実行することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記加重和で使用される重みのセットを判定することを含む、請求項２に記載の方法。
4. チャネル・ゲインを判定することを含み、
   前記重みは前記チャネル・ゲインに依存する、請求項３に記載の方法。
5. 前記チャネル・アクティビティー・レポートは、対象となる前記通信チャネルの上で検出されたエネルギーのメジャーを含み、これに基づいて前記チャネルが使用中かどうかについて判定をすることが可能である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. センシング・ピリオド中に定義された複数の前記センシング・スロットによってセンシングされる複数の前記アンテナ・セットの和集合が、センシングに使用可能なすべてのアンテナを包含する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記チャネル・アクティビティー・レポートからの前記チャネルが使用されていないとの判定に応答して、１つ又は複数のアンテナにおいて無線通信放射を生成することを含む、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 無線信号を、選択的に放射又は受信するための複数のアンテナを含む無線通信装置において、前記装置は、
   複数の連続するセンシング・スロットに、一つのセンシング・ピリオドを割り当てるためのセンシング・ピリオド割り当て手段と、ここで、センシング・スロットの数はアンテナの数に依存する、
   第１のセンシング・スロットの間、前記第１のセンシング・スロットに関するチャネル・アクティビティ情報を生成するために、第１のアンテナ・セットで、対象となる通信チャネルをセンシングするためのチャネル・アクティビティー・センシング手段であって、第２のセンシング・スロットの間、前記第２のセンシング・スロットに関するチャネル・アクティビティ情報を生成するために、第２のアンテナ・セットで、対象となる前記通信チャネルをセンシングするためのチャネル・アクティビティー・センシング手段と、ここで、前記第１のアンテナ・セットは、前記複数のアンテナのうちの１つ又は複数のアンテナであり、前記第２のアンテナ・セットは、前記複数のアンテナのうちの１つ又は複数のアンテナであり、前記第２のアンテナ・セットは、前記第１のアンテナ・セットとは異なる、
   複数の前記センシング・スロットに関して得られた複数の前記チャネル・アクティビティ情報を合成することによって、チャネル・アクティビティー・レポートを作成するチャネル・アクティビティー・レポート手段とを含む無線通信装置。
9. 前記チャネル・アクティビティー・レポート手段は、複数の前記センシング・スロットに関する複数の前記チャネル・アクティビティ情報に対して加重和を実行することによって、合成するように動作可能である、請求項８に記載の無線通信装置。
10. 前記加重和で使用される重みのセットを判定するための重み判定手段を含む、請求項９に記載の無線通信装置。
11. チャネル・ゲインを判定するように動作可能なチャネル・ゲイン判定手段を含み、
    前記重みはチャネル・ゲインに依存する、請求項１０に記載の無線通信装置。
12. 前記チャネル・アクティビティー・レポート手段は、対象となる前記通信チャネルの上で検出されたエネルギーのメジャーを含み、これに基づいて前記チャネルが使用中かどうかについて判定をすることが可能である、請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の無線通信装置。
13. センシング・ピリオド中に定義された複数の前記センシング・スロットによってセンシングされる複数の前記アンテナ・セットの和集合が、センシングに利用可能なすべてのアンテナを含む、請求項８ないし１２のいずれか１項に記載の無線通信装置。
14. 前記チャネル・アクティビティー・レポートからの前記チャネルが使用されていないとの判定に応答して、１つ又は複数のアンテナにおいて無線通信放射を生成するように動作可能な信号放射手段を含む、請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
15. 適切な汎用装置によって実行されたとき、その装置に、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法を実行させるコンピュータ実行可能なインストラクションを含む、コンピュータ・プログラム。

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